基于建构主义学习理论的模块化电子技术实验装置

摘  要 基于建构主义学习理论，结合模块化设计思想，设计电子技术实验装置，不仅解决了传统实验箱经常出现的接触不良、接插件损坏等问题，而且具有易于操作、性能稳定、通用性好、安全可靠等优点。该装置有利于全开放、自主学习式实验教学模式的开展，有助于提高实验系列课程的教学质量和学生实验技能水平。

关键词 建构主义学习理论;电子技术;实验装置;自主学习

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）10-0125-03

Abstract Based on constructive learning theory and modular design idea， an electronic technology experimental device is designed， which not only solves the problems of loose contact and damage of connectors in traditional experimental device， but also has the advan-tages of easy operation， stable performance， good universality， safetyand reliability. The device is conducive to the development of open and self-learning experimental teaching mode， and helps to improve the teaching quality of experimental courses and experimental skills for student.Key words constructive learning theory; electronic technology; experimental device; independent study

1 引言

基于建构主义学习理论的模块化电子技术实验装置是哈尔滨工业大学国家级电工电子实验教学中心电子学实验室的重要硬件平台，承担国家级精品课程、国家级精品资源共享课——电工电子实验系列课程中的模拟电子技术实验、数字电子技术实验等八门实验课程的硬件实验，每年有近3000名学生来该实验室进行实验，年均约八万人时数。

基于建构主义学习理论的模块化电子技术实验装置，既可以整体组成一套完整的模拟、数字电子技术实验平台，也可以根据学生自身需求，分离成个性化的实验项目平台。不仅解决了传统实验箱经常出现的接触不良、接插件损坏等问题，而且更加有利于全开放、自主学习式实验教学模式的开展，保证了电工电子实验系列课程的教学质量，提高了学生电工电子实验技能水平。

2 建构主义学习理论

建构主义学习理论是在瑞士心理学家让·皮亚杰（J.

Piaget）的结构主义理论基础上创立的。皮亚杰认为，儿童自身的知识是由儿童与周围环境相互作用的过程中逐渐建构的[1]。其后，慢慢衍生出建构主义学习理论的一般化观点：学习是获取知识的过程，是在一定情境下，借助他人的帮助而实现的意义建构过程[2]。建构主义学习理论和建构主义学习环境强调以学生为中心，不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者。在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比，已经发生很大变化。这就意味着教师应当在教学过程中采用全新的教学模式、全新的教学方法和全新的教学设计思想，摒弃以教师为中心、单纯强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教学模式[3]。传统高等教育的灌输式教学，学习主体和客体之间缺乏有效的相互作用。

早在2006年，胡晓光教授就提出基于建构主义的电子技术课程教学模式，将课程重点与难点以问题探究的形式给出，教师以此进行课程导论，激发学生学习的积极性，引导学生自主建构学习平台，变被动学习为主动研究，从而达到提高学习质量的目的[4]。此外，他也提到这样的教学模式必须要有相应的软、硬件环境配套，才能達到预期的效果。

国内一些学者分别在2010年和2013年提出将建构主义学习理论应用于模拟电子技术实验教学，并给出具体的实验项目实施方案和步骤，但是没有将该理论应用到数字电子技术实验中[5]。

3 模块化的电子技术实验装置的教学应用

模块化电子技术实验装置  与传统意义的模拟、数字电子技术实验箱不同，模块化的电子技术实验装置由基础平台和35种子模块组成。子模块可分为模拟实验单元模块、数字实验单元模块和拓展模块三类。

1）基础平台。基础平台为多孔插件底板，相当于一块大的面包板;采用塑料材质，能够兼容所有单元模块，不带电气连接。

2）模拟实验单元模块。模拟实验单元模块包括电阻排、电容排、二端元件、三端元件、电位器、电源模块、直流可调电源模块、功率三极管、集成插座模块等10类共计17种模块。学生根据实验需求，将电阻、电容、集成运算放大器、稳压管等元件安放到对应模块上。

3）数字实验单元模块。数字实验单元模块包括十位逻辑电平输出模块、十位逻辑电平显示模块、共阴数码管驱动电路、脉冲源、数码管等七类共计10种模块，可实现逻辑电平输入、逻辑电平显示、时钟脉冲信号、数码显示等功能。

4）拓展模块。拓展模块包括扬声器、蜂鸣器、LED显示、转换接口、复位按钮、开关、直流风机、功能扩展模块等八种模块。功能扩展模块提供热敏电阻、光敏电阻、温度传感器、整流桥、继电器、稳压管、驻极体话筒、发光二极管等元件。

模块化的电子技术实验装置可以整体组成一套完整的模拟、数字电子技术实验平台，如图1所示。学生也可以根据实验要求，利用子模块在基础平台上建构自己个性化的实验电路，如图2所示。

实际教学应用

1）满足多个专业和课程的教学要求。该装置能够贴近实际教学，应用于实验教学环节，满足不同专业不同课程的教学要求：面向电类专业和非电类专业本科生开设“模拟电子技术实验”“数字电子技术实验”“电工学实验”“电子线路实验”“电工与电子技术综合实验1、2、3”“数字逻辑实验”等实验课程;面向全校硕士研究生开设一门创新实验课程“高级电子技术综合实验”，可开设“电子仪器仪表的综合应用”“共射基本放大电路的研究”“集成运算放大器的应用”“波形发生电路”“水温控制系统”“时序逻辑电路的应用”“组合逻辑电路及其应用”等42个实验项目。

2）建立个性化、多样性的实验教学内容。模块化的电子技术实验装置有利于开展个性化、多样性的实验教学内容研究，可以让学生根据自己的知识结构，在该装置上建构独具特色的实验电路和解决方案，充分调动学习的积极性和主动性，发挥实验的创造潜力，从而更加有利于培养创造型高素质人才;可应用于不同类型、不同层次的实验教学，实验教学环节涵盖验证性、设计性、综合性、启发性、创新性不同层次。多层次、多类型实验教学内容，突出学生个性化的培养，有助于学生掌握科学方法，提高学生实验操作技能。

3）促进教学方法与教学模式的改革。基于该装置，面向学生自主学习能力培养，开设自主设计型实验教学模式。这种实验模式要求学生自主构思、策划、安排、完成、总结一个科学实验的全过程，可以是对应理论课中某一个特定章节的内容，也可以是几个章节内容的综合，但核心是这个实验必须是学生自己“想”出来并完成的。该装置能够满足自主设计实验题目的多样性以及实验方案的发散性，有助于提高学生的动手能力和实践能力。

重新编写模拟电子技术实验和数字电子技术实验教学大纲，进一步夯实全开放、自主学习式实验教学模式;并在高等教育出版社出版实验教程一部，用于电类专业本科生的实验教学。

4 建构主义学习环境的构建

建构主义学习环境将软、硬件有机结合，运用现代信息技术，优化实验教学网络管理系统，为学生营造全开放的实验教学环境[6]。

硬件环境建设

1）电子学实验室更新了56套模块化的电子技术实验装置。

2）升级电工电子实验教学中心的服务器，扩充校园网用户访问中心网站的数量。

3）建立虚实结合远程在线仿真实验室，共40台套。

软件环境建设

1）利用“爱课程网”国家级精品资源共享课平台、高等教育出版社数字课程平台以及国家级电工电子实验教学示范中心网站，实现协同共享，并结合实验室的硬件资源，为学生的自主学习创造多样化的学习环境。

2）优化实验教学网络管理系统，更新预考核试题，提供方波、三角波发生电路等10个虚实结合远程在线仿真实验项目。通过这些实验，学生可在进入实验室之前，就已经掌握实验操作流程和基本要求，有助于学生自主学习能力的培养。

3）采用文本、图片、动画、仿真、视频、Flash等方式，建立完备的实验教学管理资源库，包含仪器仪表的使用视频课件、实验操作视频、教学录像、实验注意事项视频课件等教学资源。

由于实验课程的特殊性，为了更加清晰细致地多角度、多方位诠释实验讲授和操作全过程，借鉴MOOC建设思路，以知识点为牵引，编写实验教学课件，撰写教学录像脚本，设计教学录像环节，录制实验教学微视频41个。这些经过精心设计、反复雕琢的实验教学录像，能够较好地反映实际实验操作的全过程，实用性强，易于学生自主学习。图3所示为矩形波发生电路实验微视频。

5 结语

哈尔滨工业大学电子学实验室从2016年开始实施基于建构主义学习理论的模块化电子技术实验装置，迄今已经运行近两年，总体效果良好。实验室充分利用国家级精品资源共享课平台、高等教育出版社数字课程平台和国家级电工电子实验教学示范中心网站，实现多平台协同共享，构建建构主义学习环境，配合模块化的电子技术实验装置，践行学校“以学生为中心、学生学习与发展成效驱动”的教育理念，有利于推进素质教育，培养学生创新精神和实践动手能力。

参考文献

[1]Jonassen D. Constructivism and Computer-Mediated Communication in Distance Education[J].The American

Journal of Distance Education，1995，9（2）：7-26.

[2]蒋俊正.建构主义学习理论指导下的电子信息课程“慕课”教学探讨[J].教育教学论坛，2015，3（12）：168-169.

[3]晏湧.建构主义学习理论在模拟电子技术实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，30（9）：159-161，169.

[4]胡晓光，王建华.建构主义的学习理论在电子技术教学中的应用[J].华北航天工业学院学报，2006，16（z1）：32-34.

[5]管飚.用建构主义理论改革模拟电子技术实验教学[J].阜阳师范学院学报：自然科学版，2010，27（1）：76-78.

[6]吳建强，李琰，廉玉欣.全开放、自主学习模式下的实验教学体系与内容的构建[M]//Proceedings of 2013 Inter-

national Conference on Education and Teaching，

2013（23）：479-484.